基于JAVA的WEB服务器工作机制

基于JAVA的WEB服务器工作机制

一个WEB服务器也被称为一个HTTP服务器，因为它使用HTTP协议和它的客户进行通讯，而这些客户通常是浏览器。 一个基于JAVA的WEB服务器使用了两个重要的类：java.net.Socket和java.net.ServerSocket，并且是通过HTTP消息进行通讯的。本文开头将讨论HTTP和这两个类，后面，将解释一个简单WEB服务器应用程序的工作机制。

超文本传输协议 (HTTP)

HTTP协议允许服务器和客户机通过INTERNET接收和发送数据。它是个请求和回应协议----客户机发送请求，服务器对请求给出回应。HTTP 使用可靠的TCP 连接，默认TCP端口是80。HTTP的第一版是HTTP/0.9，随后被 HTTP/1.0所取代。当前最新的版本是HTTP/1.1，这个在RPC2616规范文档中给出了定义。

这一章节简单讲叙了HTTP 1.1， 对于你理解WEB服务器应用程序发送的消息还是足够的。如果你很感兴趣，可以参考RFC 2616文档。

使用HTTP，客户端通过建立一个连接和发送一个HTTP请求来初始化事务会话，服务器联系客户端或者回应一个callback连接给客户端。 它们都可以中断连接。比如，在使用WEB浏览器时，你可以点击浏览器上的STOP按钮来停止文件下载进程，就有效的关闭了和这个WEB服务器的HTTP连接。

HTTP 请求（Requests）

一个HTTP request包含三个部分：

• 方法，URL，协议/版本（Method-URI-Protocol/Version）
• 请求包头Request headers
• 实体包（Entity body）

下面给出一个HTTP请求的范例：

POST /servlet/default.jsp HTTP/1.1
Accept: text/plain; text/html 
Accept-Language: en-gb 
Connection: Keep-Alive 
Host: localhost 
Referer: http://localhost/ch8/SendDetails.htm 
User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 4.01; Windows 98) 
Content-Length: 33 
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded 
Accept-Encoding: gzip, deflate 

LastName=Franks&FirstName=Michael

请求的第一行就是method-URI-Protocol/Version。

POST /servlet/default.jsp HTTP/1.1

请求的是POST方法，后面的 /servlet/default.jsp 表示一个URL地址，HTTP/1.1表示协议的版本。

HTTP标准规范定义了一些请求方法，用来给每个HTTP请求所使用。HTTP 1.1支持7中请求方法： GET, POST, HEAD, OPTIONS, PUT, DELETE, 和 TRACE。 GET和POST 在INTERNET的应用程序中是使用最普遍的两个方法。

URI完整的指明了一个INTERNET资源。一个URI通常是相对于服务器的根目录被解释的。 因此，它总是使用符号(/)开头。一个URL实际是一个URI类型。协议版本表示当前正在使用的HTTP协议的版本。

请求包头（request header）包含了一些有用的客户机环境的信息和请求的实体（entity body）信息。比如，它可以包含浏览器使用的语言和实体的长度等等。每个请求包头都被CRLF（回车换行）序列所分离。

在先前的HTTP请求中，实体是下面简单的一行：

LastName=Franks&FirstName=Michael

在一个典型的HTTP请求中，这个实体能够很容易地变得更长。

HTTP响应（Responses）

和请求类似，一个HTTP响应也包含三个部分：

• 协议状态 代码描叙（Protocol-Status code-Description）
• 响应包头（Response headers）
• 实体（Entity body）

下面是HTTP响应的一个简单范例：

HTTP/1.1 200 OK
Server: Microsoft-IIS/4.0
Date: Mon, 3 Jan 1998 13:13:33 GMT
Content-Type: text/html
Last-Modified: Mon, 11 Jan 1998 13:23:42 GMT
Content-Length: 112




Welcome to Brainy Software

第一行的响应包头和上面的请求包头很相似。 第一行告诉我们，协议是使用的HTTP1.1，响应请求已成功(200表示成功),一切已OK。

响应包头和请求包头相似，也包含一些有用的信息。响应的实体是HTML那一部分的内容。包头和实体也都是被CRLF序列分离开的。

Socket类

套接字（socket）是网络连接的一个端点。它使得应用程序能够通过网络进行读和写的操作。 通过在连接上发送和接受字节流，两个位于不同计算机的软件程序能够彼此相互通讯。为了发送一个消息到另一个程序，你需要知道对方机器的IP地址和socket端口号。在JAVA中，一个socket是由java.net.Socket类所表示的。

为了创建一个套接字，你可以使用Socket类的构造函数来完成。 这些构造函数接受主机名和端口:

public Socket(String host, int port)

host表示远程计算机名或者IP地址，port表示该远程应用的端口号。比如，要在80端口连接到yahoo.com，你需要构造下面的socket:

new Socket("yahoo.com", 80);

一旦你成功创建了一个Socket类的实例，就可以使用它来发送和接受字节流了。 要发送字节流，必须首先调用Socket类的getOutputStream 方法来获得一个java.io.OutputStream对象。要发送一个文本到远程应用程序，经常要构造一个从OutputStream对象返回的java.io.PrintWriter对象。要接收连接另一端的字节流，要调用Socket类的getInputStream方法，该方法是从 java.io.InputStream返回的。

下面的程序段创建了一个socket，和本地HTTP服务器（127.0.0.1代表本地）进行通讯，发送一个HTTP请求，然后从服务器接收一个响应。它创建了一个StringBuffer 来保存响应，并将它打印到控制台。

Socket socket    = new Socket("127.0.0.1", "8080");
OutputStream os   = socket.getOutputStream();
boolean autoflush = true;
PrintWriter out   = new PrintWriter( socket.getOutputStream(), autoflush );
BufferedReader in = new BufferedReader( 
    new InputStreamReader( socket.getInputStream() ));

// send an HTTP request to the web server
out.println("GET /index.jsp HTTP/1.1");
out.println("Host: localhost:8080");
out.println("Connection: Close");
out.println();

// read the response
boolean loop    = true;
StringBuffer sb = new StringBuffer(8096);

while (loop) {
    if ( in.ready() ) {
        int i=0;
        while (i!=-1) {
            i = in.read();
            sb.append((char) i);
        }
        loop = false;
    }
    Thread.currentThread().sleep(50);
}

// display the response to the out console
System.out.println(sb.toString());
socket.close();

要从服务器得到一个确切的响应，你需要发送一个遵循HTTP协议规则的HTTP请求。如果你阅读了上面的那段"超文本传输协议(HTTP)" ，那么你就应该能够理解刚才上面建立socket的代码。

ServerSocket 类

Socket 类表示的是客户端的socket。无论什么时候，只要你想连接到一个远程服务器的应用，你都要构建一个socket。如果你想执行一个服务器应用程序，比如HTTP服务或者FTP服务的程序，那么你需要使用不同的途径。因为你的服务器必须一直是开机闲置，所以它不知道什么时候客户机试图来连接它。

这个时候，需要使用java.net.ServerSocket 类。它会实现一个服务器socket。一个服务器socket会等待来自客户端的连接。一旦它接收到一个连接请求，它就会创建一个  Socket 实例来处理和客户端通讯的问题。

要创建一个服务器socket,可以使用四种ServerSocket类构造方法中的一种来实现。你需要制定服务器socket监听的IP地址和端口。 典型的，IP地址如果是127.0.0.1，意味着服务器socket将监听本地机器。这个被监听的IP地址被认为是一种绑定地址。server socket的另一个重要属性是它的 backlog属性，它是在server socket拒绝连接请求前，能够接受的连接请求的最大队列长度。

ServerSocket类的构造函数之一如下：

public ServerSocket(int port, int backLog, InetAddress bindingAddress);

对于这个构造函数而言，绑定地址必须是java.net.InetAddress 的一个实例。一个简单的办法是通过调用它的静态方法getByName来构造一个InetAddres对象。该方法来一个包含主机名的字符串参数:

InetAddress.getByName("127.0.0.1");

下面一行代码构造一个ServerSocket ，它监听本地机器的8080端口，backlog设置为1。

new ServerSocket(8080, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));

一旦有了一个 ServerSocket 实例，可以通过调用accept方法来告诉它等待进来的连接请求。这个方法只有在有一个连接请求时才返回。它返回的是Socket类的实例。这个Socket对象能够发送和接受来自客户端应用的字节流，就是第一节所讲到的socket类。实际上，accept 是本文提及的唯一一个在应用中使用的方法。

Application应用

我们的web服务器应用是ex01.pyrmont包的一部分，包含三个类：

• HttpServer
• Request
• Response

这个应用的入口(静态main方法)是HttpServer类。它创建了一个HttpServer 实例来调用它的await方法。 就象这个方法名所暗示的，await 方法在一个指定的端口等待一个HTTP请求，并处理它们，然后发送回应给客户端。它保持等待状态，直到收到一个shutdown命令。 (命令名await来代替wait的原因是wait是System.Object类中的一个用于线程方面的重要方法)

应用仅仅只发送静态资源，比如来自特定目录的HTML和图片文件。不支持动态包头 (比如日期或者cookie) 。

在下面的段落中，让我们来看看这三个类吧。

HttpServer 类

HttpServer类表示一个web服务器,且在公共静态目录WEB_ROOT及它的子目录中能为找到的那些静态资源而服务。WEB_ROOT用以下方式初始化：

public static final String WEB_ROOT =
 System.getProperty("user.dir") + File.separator  + "webroot";

这段代码指明了一个包含静态资源的webroot目录，这些资源可用来测试该应用。在该目录中也能找到servlet容器。

要请求一个静态资源，在浏览器中输入如下地址或URL：

http://machineName:port/staticResource

machineName 是运行这个应用的计算机名或者IP地址。如果你的浏览器是在同一台机器上，可以使用localhost作为机器名。端口是8080。staticResource是请求的文件夹名，它必须位于WEB-ROOT目录中。

必然，如果你使用同一个计算机来测试应用，你想向HttpServer请求发送一个index.html 文件，那么使用如下URL:

http://localhost:8080/index.html

想要停止服务器，可以通过发送一个shutdown命令。该命令是被HttpServer 类中的静态SHUTDOWN_COMMAND变量所定义:

private static final String SHUTDOWN_COMMAND = "/SHUTDOWN";

因此，要停止服务，你可以使用命令:

http://localhost:8080/SHUTDOWN

现在让我们来看看前面提到的await方法。下面一个程序清单给出了解释。

Listing 1.1. The HttpServer class' await method

public void await() {
    ServerSocket serverSocket = null;
    int port = 8080;
    try {
        serverSocket =  new ServerSocket(port, 1,
        InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
    }
    catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        System.exit(1);
    }

    // Loop waiting for a request
    while (!shutdown) {
        Socket socket = null;
        InputStream input = null;
        OutputStream output = null;
        try {
            socket = serverSocket.accept();
            input = socket.getInputStream();
            output = socket.getOutputStream();

            // create Request object and parse
            Request request = new Request(input);
            request.parse();

            // create Response object
            Response response = new Response(output);
            response.setRequest(request);
            response.sendStaticResource();

            // Close the socket
            socket.close();

            //check if the previous URI is a shutdown command
            shutdown = request.getUri().equals(SHUTDOWN_COMMAND);
        }
        catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            continue;
        }
    }
}

await方法是通过创建一个ServerSocket实例而开始的。然后它进入了一个WHILE循环：

serverSocket =  new ServerSocket(
     port, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));

...

// Loop waiting for a request
while (!shutdown) {
    ...
}

socket = serverSocket.accept();

在收到一个请求后，await方法从accept方法返回的socket实例中获得java.io.InputStream 和java.io.OutputStream对象。

input = socket.getInputStream();
output = socket.getOutputStream();

await于是就创建一个Request对象并调用它的 parse 方法来解析原始的HTTP请求信息。

// create Request object and parse
Request request = new Request(input);
request.parse();

接下来，await 方法创建了一个Response 对象，使用setRequest方法并调用它的sendStaticResource 方法。

// create Response object
Response response = new Response(output);
response.setRequest(request);
response.sendStaticResource();

最后，await关闭该Socket。调用Request的getUri方法来检查HTTP请求的URI是否是一个shutdown命令。如果是，shutdown变量被设置为true，程序退出while循环。

// Close the socket
socket.close();
//check if the previous URI is a shutdown command
shutdown = request.getUri().equals(SHUTDOWN_COMMAND);


Request类
Request类代表一个HTTP请求。Socket处理客户端的通讯，将返回一个InputStream对象，通过传递该对象，可以构造一个Request类的实例。通过调用InputStream 对象的read方法来获得这个HTTP请求的原始数据（raw data）。
Request 有两个公共方法：parse 和 getUri。parse方法解释HTTP请求的原始数据。它不做很多事情----它能够利用的唯一信息只是HTTP请求的URI ，这个URI是从私有方法 parseUri.得到的。parseUri 方法保存URI 到uri 变量中，然后调用公共方法getUri来返回一个HTTP请求的URI。
为了理解parse 和 parseUri 方法是如何工作的，需要知道HTTP请求的内部结构。这个结构是在RFC2616文档中定义的。
一个HTTP请求包含三个部分：
    
    
    
    
      
      
      
      

       
       
       
       
请求行（Request line） 
       
       
       
       
请求包头（Headers） 
       
       
       
       
消息体（Message body） 
      
      
      
      
现在，我们仅仅只对HTTP请求的第一部分请求行（Request line）感兴趣。一个请求行由方法标记开始，后面根请求的URI和协议版本，最后由CRLF字符结束。请求行中的元素被空格字符分开。比如，使用GET方法请求的index.html文件的请求行如下：
GET /index.html HTTP/1.1 //这是一个请求行
方法parse从socket的InputStream 中读取整个字节流，该字节流是 Request 对象传递进来的，然后parse将这些字节流存储在一个缓冲区里， 在缓冲区中组装一个称为request的StringBuffer对象。
下面的Listing 1.2.显示了parse方法的用法：
Listing 1.2. The Request class' parse method
public void parse() {
    // Read a set of characters from the socket
    StringBuffer request = new StringBuffer(2048);
    int i;
    byte[] buffer = new byte[2048];

    try {
        i = input.read(buffer);
    }
    catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        i = -1;
    }

    for (int j=0; j
parseUri 方法从请求行那里得到URI。Listing 1.3 展示了parseUri 方法的用途。 parseUri 减缩请求中的第一个和第二个空格来获得URI。 
Listing 1.3. The Request class' parseUri method
private String parseUri(String requestString) {
    int index1, index2;
    index1 = requestString.indexOf(' ');

    if (index1 != -1) {
        index2 = requestString.indexOf(' ', index1 + 1);
        if (index2 > index1)
           return requestString.substring(index1 + 1, index2);
    }

    return null;
}
Response类
Response表示一个HTTP响应。它的构造函数接受一个OutputStream对象，比如下面的：
public Response(OutputStream output) {
    this.output = output;
}
Response 对象被HttpServer类的await方法构造，该方法被传递的参数是从socket那里得到的OutputStream对象。
Response类有两个公共方法: setRequest和sendStaticResource. setRequest方法传递一个Request对象给Response对象。Listing 1.4中的代码显示了这个：
Listing 1.4. The Response class' setRequest method
public void setRequest(Request request) {
    this.request = request;
}
sendStaticResource 方法用来发送一个静态资源，比如HTML文件。Listing 1.5给出了它的实现过程：
Listing 1.5. The Response class' sendStaticResource method
public void sendStaticResource() throws IOException {
    byte[] bytes        = new byte[BUFFER_SIZE];
    FileInputStream fis = null;

    try {
        File file  = new File(HttpServer.WEB_ROOT, request.getUri());
        if (file.exists()) {
            fis    = new FileInputStream(file);
            int ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);

            while (ch != -1) {
                output.write(bytes, 0, ch);
                ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
            }
        }
        else {
            // file not found
            String errorMessage = "HTTP/1.1 404 File Not Found/r/n" +
                "Content-Type: text/html/r/n" +
                "Content-Length: 23/r/n" +
                "/r/n" +
                "
File Not Found
";
            output.write(errorMessage.getBytes());
        }
    }
    catch (Exception e) {
        // thrown if cannot instantiate a File object
        System.out.println(e.toString() );
    }
    finally {
        if (fis != null)
            fis.close();
    }
}
sendStaticResource 方法是非常简单的。它首先传递父路径和子路径给File类的构造器，从而对java.io.File类进行了实例化。
File file = new File(HttpServer.WEB_ROOT, request.getUri());
然后它检查文件是否存在。如果存在，sendStaticResource 方法通过传递File对象来构造一个java.io.FileInputStream对象。然后调用FileInputStream 的read方法，将字节流写如到OutputStream输出。注意这种情况下, 静态资源的内容也被作为原始数据被发送给了浏览器。
if (file.exists()) {
    fis    = new FileInputStream(file);
    int ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);

    while (ch != -1) {
        output.write(bytes, 0, ch);
        ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
    }
}
如果这个文件不存在，sendStaticResource 方法发送一个错误消息给浏览器。
String errorMessage = "HTTP/1.1 404 File Not Found/r/n" +
    "Content-Type: text/html/r/n" +
    "Content-Length: 23/r/n" +
    "/r/n" +
    "
File Not Found
";
output.write(errorMessage.getBytes());
编译和运行应用程序
为了编译和运行应用，你首先需要解压包含本文应用程序的.zip文件。你解压的目录成为工作目录（working directory），它有三个子目录： src/, classes/, 和 lib/。 要编译应用程序需要在工作目录输入如下语句：
javac -d . src/ex01/pyrmont/*.java
这个-d 选项参数将结果写到当前目录，而不是src/ 目录。 
要运行应用程序，在工作目录中输入如下语句：
java ex01.pyrmont.HttpServer
要测试你的应用程序，打开浏览器，在地址栏中输入如下URL:
http://localhost:8080/index.html
你将可以看到浏览器中显示的index.html 页面，如Figure 1所示。

Figure 1. The output from the web server
在控制台（Console），你能看到如下内容：
GET /index.html HTTP/1.1
Accept: */*
Accept-Language: en-us
Accept-Encoding: gzip, deflate
User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 4.01; Windows 98) 
Host: localhost:8080
Connection: Keep-Alive

GET /images/logo.gif HTTP/1.1
Accept: */*
Referer: http://localhost:8080/index.html
Accept-Language: en-us
Accept-Encoding: gzip, deflate
User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 4.01; Windows 98) 
Host: localhost:8080
Connection: Keep-Alive
 
概要总结
在本文中，你了解了一个简单的WEB服务器的工作机制。本文附带的应用程序源代码只包含三个类，但并不是所有的都有用。尽管如此，它还是能被作为一种很好的学习工具为我们服务。

Translated by Willpower,2003.11.24